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Nucleasen

Restriktionsendonucleasen

Nomenklatur

  • Hydrolasen E.C. 3...
  • Spaltung von Ester-Brücken E.C.3.1.
  • spalten DNA oder RNA 3.1.21.

Allgemeine Reaktion

Restriktionsendonucleasen werden auch Restriktionsenzyme genannt. Es handelt sich dabei um Endoribonucleasen, die DNA oder RNA sequenzspezifisch an einer Phosphodiester-Bindung spalten und dabei entweder glatte Enden (engl. blunt ends) oder überhängende (kohäsive, klebrige) Enden (engl. sticky ends) produzieren. Die sticky ends können ihre Basen miteinander oder mit den Basen komplementärer kohäsiver Enden anderer DNA-Fragmente paaren. Die Erkennungsstellen in der RNA oder DNA bestehen meist aus 4-8 Basen und sind zweifach rotationsspezifisch; man nennt so eine Sequenz auch Palindrom.

Abb.1

Beispiel für ein DNA-Palindrom; hier werden sticky ends aus einem Überhang von zwei Basen gebildet

Bedeutung der Restriktionsendonucleasen

Die Restriktionsenzyme wurden Ende der 1970er Jahre von Werner Arber, Hamilton Smith und Daniel Nathans entdeckt, die 1978 dafür den Nobelpreis für Chemie erhielten. Sie sind ursprünglich Bestandteil der Virusabwehr von Prokaryonten mit der Aufgabe, fremde DNA-Moleküle zu spalten und damit unschädlich zu machen. Die zelleigene DNA wird nicht abgebaut, da sie durch ein spezielles Methylierungsmuster vor den eigenen Restriktionsenzymen geschützt ist. Für die spezifische Methylierung der eigenen DNA sind die Methyltransferasen zuständig; eine Restriktionsendonuclease und die dazugehörige Methyltransferase werden daher oft als Restriktions-Modifikations-System bezeichnet.

Restriktionsenzyme spielen eine wichtige Rolle in der DNA-Rekombination, bzw. Molekularbiologie. Sie werde zur Analyse der Chromosomenstruktur, zur Sequenzierung langer DNA-Moleküle, zur Isolierung von Genen und zur Erzeugung und Klonierung neuer DNA-Fragmente benutzt. Kennt man die Abfolge der Restriktionsschnittstellen in einem Stück DNA, kann man einen genetischen Fingerabdruck (fingerprint) herstellen.

Die dreibuchstabigen Namen der Restriktionsenzyme richten sich nach dem Namen ihres Wirtsorganismus, so zum Beispiel Eco für Escherichia coli und Hin für Haemophilus influenzae. Es gibt drei verschiedene Klassen von Restriktionsenzymen, die sich im Hinblick auf ihre katalytischen Eigenschaften und die Art der Erkennungssequenz unterscheiden. In der Biotechnologie werden vor allem Enzyme der Klasse II eingesetzt.

Tab.1
Die drei Klassen von Restriktionsendonucleasen
TypMerkmale
IGroße Komplexe aus vielen Untereinheiten mit Endonuclease- und Methylase-Aktivität; spalten DNA an zufälligen Stellen, die 1.000 Basenpaare entfernt von der Erkennungssequenz liegen können; benötigen ATP als Energielieferant.
IIBenötigen kein ATP; sind einfach gebaut; spalten DNA innerhalb der Erkenungssequenz; Wichtig für Biotechnologie und DNA-Rekombination.
IIIGroße Komplexe aus vielen Untereinheiten mit Endonuclease- und Methylase-Aktivität; spalten DNA an zufälligen Stellen, die 25 Basenpaare entfernt von der Erkennungssequenz liegen; benötigen ATP als Energielieferant.
Hinweis
Die Menge an Restriktionsenzym wird in Units (Einheiten) angegeben: Eine Unit ist die Enzymmenge, die in einer Stunde bei optimalen Reaktionsbedingungen ein µg DNA spaltet.
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